分析海洋环境中的许多变量可能是一个挑战。潮汐模式影响海上交通、沿海群落和水生繁殖期;水温影响藻类的生长,进而影响海洋动物和渔业;这样的例子不胜枚举。使问题更加复杂的是,海洋数据采集的一个重要方面是时间。通常情况下,数据是随着时间的推移而收集的,而不是在空间上收集的,这会导致包含大量信息的大型多变量数据集。然而,如果不能正确地可视化,信息就不是很有用。

传统的2D和3D可视化技术,如线/散点图或条形图,足以进行基本的分析,但当需要同时分析大的和小的数据模式时,就不适用了。理查德·克勒博士是视觉数据分析的创始人,已经花了他的职业生涯,证明了不同的方法来可视化数据,更好地促进了对复杂生态系统的理解。

这张二维线形图是成年奇努克大马哈鱼每天的经过量。x轴表示一年中的天数,y轴表示通过监测站的鲑鱼总数。每条线代表不同的年份。

二维和三维绘图,绘图和分析软件:二维线形图-奇努克鲑鱼的passage over time
奇努克大马哈鱼的洄游通常用一系列线形图来表现。主要的模式,如高峰通行时间很容易识别,但较小的模式或季节变化很难识别。来源:http://www.fpc.org/.图表绘制在Golden Softw万博手机版官网网址are的2D和3D图形软件中,记录仪

主要的模式,如高峰通道,很容易区分,但较小的模式,如季节变化,很难识别。此外,上图仅代表了5年的数据。如果五年还不够怎么办?我们可以看到,如果再加上10年、20年或50年的图表,会变得多么混乱。

Koehler博士的替代可视化技术将此时间序列数据绘制为图像映射,也称为光栅映射。该日期变成了两个时间坐标,其中X轴是短期时间步长,如天或分钟,而Y轴是较长的时间步长,如月或年。z值在单元位置表示。

网格格式为2D和3D建模和分析软件程序,冲浪者创建用于可视化的时间坐标
用于生成时间映射的网格格式的示例(Koehler,2004)。
来源:http://arizona.openrepository.com/arizona/handle/10150/280516

使用此时间地图技术,Chinook通道数据绘制在Golden Software的轮廓,网格和3D表面映射软件中,万博手机版官网网址冲浪者.在这幅地图中,还显示了另外71年的数据。尽管有额外的信息,我们还是很容易区分时间模式,不管是大的还是小的,否则在2D线形图中就会遗漏。较小的春季和夏季运行模式现在更容易看到在这个显示。同样值得注意的是,近年来,从8月到9月,鲑鱼的数量持续增加。

Surfer 2D & 3D建模和分析软件:时间地图显示天,年,和奇努克鲑鱼通道计数
春季跑在4月下旬,夏季跑在6月,从1975年到2000年都有一个明显的低点。从8月下旬到9月是秋季,近年来涨幅显著。数据来源:http://www.nwd-wc.usace.army.mil/.地图绘制在冲浪者中。

在显示海潮数据时,时间映射也很有用。阿拉斯加东南部的海军部岛上的Hawk Inlet是阿拉斯加·潘安安闲鞋中的两个港口之一,船舶到达和出发依赖于潮汐。潮汐和日光时间的时机是安全导航的关键因素;因此,调度人员很重要,了解潮汐对于船只旅行有利。

在这些传统观点中,涨潮和退潮是可区分的。但这些显示并不足以规划船只当天、每周或每月何时能安全地进出港口。大量的信息丢失了,用这些观点想要对潮汐模式有一个清晰的了解实际上是不可能的。

Grapher 2D和3D图形,绘图和分析软件:2D线条图绘制潮汐高度随着时间的推移
2D线条图绘制潮汐高度随着时间的推移。如前所述,大型图案可区分传统图,但较小的图案难以破译。图表绘制在格光浴中。

然而,通过使用科勒博士的时间地图可视化技术,一个全新的画面出现了。调度人员可以快速确定潮位有利于船只航行的日期和时间。这个视图还使添加额外信息变得更容易,例如日出和日落的时间,这是用浅灰色的线表示的。尽管有超过50万的数据点,这幅图还是清晰易懂的。不仅港口调度人员能从潮汐信息中获益,为恼人的洪水做准备的海岸管理者、休闲渔民、冲浪者和划船者以及从事栖息地恢复项目的科学家也能从中受益。

Surfer 2D和3D建模和分析软件:时间地图显示鹰口,AK USA的鹰口,日和潮汐高度
由于地球,月亮和太阳的不断变化的位置,整个年度,潮汐的时序,例如红色的最低潮汐变化。由灰线代表是日出和日落时间,这对于安全的船舶运动很重要。地图绘制在冲浪者中。

多变量时间分析是时间图为复杂数据提供更清晰和更容易理解的可视化表示的另一个领域。例如,在分析藻华时必须考虑几个环境因素。这些因素包括海表温度、海表盐度、气温、降水、水流、潮汐高差、上升流和风速。单独来说,这些因素对是否会发生水藻爆发没有太大的影响。相反,这些因素必须作为一个整体进行分析,这可能是一项棘手的任务。

我们怎样才能发现藻类繁殖的机会之窗?如前所述,传统的2D和3D视图无法完成这类任务。这就是科勒博士的时间地图。

第一步是将每个环境因素显示为时间地图。在藻华的例子中,将创建7个不同的环境时间地图。其次,将二元滤波器应用于显示藻类爆发的有利条件的数据。值1等于有利条件的天数,值0等于不利于藻类爆发的天数。二进制过滤器也显示为时间映射。

例如,一个环境因子是流流程。小于350立方米/秒的流动对藻类绽放有利。通过观看二进制图像映射,可以在流流量小于350立方米/秒时快速定位。这些通常在八月和十月之间发生。人们还可以在2001年发生的干旱中看到,这导致1月份至4月的几个月的正常流流量。黑色代表的所有日子都是藻类绽放的有利流流量条件。

Surfer 2D和3D建模和分析软件:时间映射显示藻类绽放的标准
左侧的时间映射是观察到的流流程。右侧的时间映射是当流流量小于350立方米/秒/秒的黑色时突出显示天数。在冲浪者绘制的地图。

对所有剩余的环境因素重复这些步骤。

最后一步是为各个因素的二进制数据进行总结,并将结果数据显示为时间映射。总和数据将包含零和八之间的值。含有零的细胞表明该特定日期,八个因素中的任何一个都没有适合于藻类绽放的条件。具有四个值的细胞在该特定日期中表明,八个环境因素中的四个有适合于藻类绽放的条件。具有八个值的细胞表明所有八个环境因素有适合于该特定日期的藻类的条件。当将该组合数据显示为二进制时间映射时,八个表示所有标准所有标准都会满足,值零七分为七分表示至少一个标准未满足。

Surfer 2D & 3D建模和分析软件:时间地图显示潜在的天藻类爆发
这是1993年到2005年期间的时间图,其中所有8个环境因素都适合藻类爆发。地图绘制在冲浪者中。

在1993年至2005年的4380天中,有127天的8个环境因素都有利于藻类爆发。

创建时间地图的关键是在输入文件中将典型的日期格式(2015年5月1日)正确地转换为两个时间坐标(日和年)。使用Excel®电子表格,此图表显示了使用日历年的公式。x轴是天,y轴是年。z值将是时间序列,如鲑鱼数量,潮汐高度,或流量。将输入数据排列为列A =天(X),列B =年(Y),列C =值(Z)。

Formulat将日期格式转换为两个时间坐标,以在Surfer  -  2D和3D调用和分析软件中创建时间映射
将数据转换为具有三列数据(X、Y和Z)的格式,其中X列是日历年的日期,Y列是日历年,Z列是数据变量。

一旦数据的格式是正确的,时间地图可以创建在Surfer网格,也称为插值,数据和创建一个图像地图网格数据。

通过合并数据可视化,可以极大地改进分析。根据需要,传统的2D和3D视图是令人满意的;然而,通过创建可视化单变量和多变量数据的新方法,通常会发现独特和可操作的见解。“任何图表的目的都是将数据转化为信息,”Koehler博士说,“精心设计的图表对于理解数据和正确传达你的观点非常有用。拥有正确的工具是实现这一目标的关键。”科勒博士的时间地图确实实现了这一目标。它们通过将复杂的时间数据转换成清晰易懂的视觉模型来传递信息。

超出预期

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